水合氧化铝作为结合剂在耐火浇注料中的应用
发布日期： 2019-07-30 11:30:47 阅读量（726） 作者：张红水合氧化铝是一种低晶度、亚稳态、高比表面积(200m2/g左右)的过渡氧化铝，是Al(OH)3在真空或快速脱水情况下即在400-800℃下闪烧(少于1s)形成的一种氧化铝。一般情况下，水合氧化铝颗粒的平均尺寸约为15m，呈多孔结构，其内部气孔多为贯穿气孔和闭口气孔。由于水合氧化铝的比表面积比较大，孔隙较多，遇水后很容易发生水化。因此水合氧化铝属于水硬性的水合结合剂，水合氧化铝水合结合的机理是，水合氧化铝遇水后再次发生水化，从而形成各种水化产物胶结浇注料的骨料及基质。随着热处理温度升高，其水化产物会发生脱水反应及分解反应，还会发生过渡氧化铝的晶型转变，最终在高温条件下转变为稳定的α-Al2O3。
1、水合氧化铝的水化物相
水合氧化铝作为氧化铝所有同素异形体中唯一一种可以水化的形态，其水化特点是：水合氧化铝在遇到水后，颗粒表面羟基化，然后部分颗粒溶解，快速进行水化反应，进而有水化产物-伪勃姆石凝胶产生，该水化产物覆盖在原料的颗粒表面。紧接着，部分的伪勃姆石凝胶进一步发生了结晶反应，生成了水化产物勃姆石，然后勃姆石进一步水化形成拜耳石。水合氧化铝的水化反应式如下所示，由于水合氧化铝的水化产物由拜耳石以及勃姆石凝胶等组成，这些水化产物胶结颗粒，填充浇注料孔隙，从而为浇注料提供了脱模强度。
2、水合氧化铝的水化特点
水合氧化铝的水化过程由以下四个阶段组成，第一阶段是诱导前期，即遇水后，水合氧化铝发生水化，凝胶状水化产物迅速形成并覆盖在颗粒的表面，这个过程较短，明显地释放水化热。第二阶段是诱导期，由于原料颗粒表面被生成的凝胶状水化产物所覆盖，水分子难以透过凝胶层，因此水化速率降低。第三阶段是加速期，随着水化时间的延长，水分子对凝胶层的渗透压力增大，导致原料颗粒表面的凝胶层破裂，水分子穿过凝胶层进一步与未水化的原料颗粒接触后进一步发生水化反应，加速了水化反应的进行，从而使得水化反应速率升高。最后阶段，水化过程几乎结束，没有产生明显的水化热，此时水化产物基本为Al(OH)3。
3、温度对水合氧化铝水化的影响
水合氧化铝的水化温度会对水合氧化铝的水化过程产生影响，对水化产物种类的形成也有影响，其具体水化产物形成过程如(1.2)式所示。例如，图1.1所示为TA-700(一种水合氧化铝)在不同温度下水化不同时间的水化产物XRD图谱。可以看出，过低的温度下，水化产物拜耳石的形成时间非常长，不利于生成。将水合氧化铝放置5℃下水化8d后，其水化产物物相组成中未出现拜耳石;而在25℃下48h即出现了拜耳石的衍射峰;50℃下仅需8h。这也就表明，较低的温度不利于水化产物拜耳石的形成;而温度的升高，促进了水合氧化铝的水化，进而促进了水化产物拜耳石的产生。另外，水化过程中，水合氧化铝容易不完全水化。
图1TA-700在不同温度下水化不同时间的水化产物XRD图谱(a)5℃，(b)25℃，(c)50℃
另外，有研究表明，养护温度的升高促进水化产物拜耳石的含量增加的同时，也促进了其结晶程度更加完整[44]。例如，图1.2所示为Alphabond300在A、B两种条件下水化后的XRD和TG图。从图1.2(a)可以看出，水合氧化铝在A、B两种条件下水化后，其水化产物均为勃姆石与拜耳石。但是对比两种条件水化后的XRD衍射峰可知，在20℃下水化48h后进而在110℃下水化12h得到的水化产物拜耳石的衍射峰要强于仅在20℃下水化48h的峰强。这也就表明，随着养护温度的升高，促使水化产物拜耳石与勃姆石的结晶程度增加。结合图1.2(b)看出，水合氧化铝在A条件下水化后，其质量损失(150℃至800℃)约为14.20%，这也就表明，在该条件下仅有31%的水合氧化铝完全水化。而在B条件下，大约70%的水合氧化铝完全水化，并且其水化产物为拜耳石及伪勃姆石。
图2Alphabond300在A(20℃下48h)和B(20℃下48h，然后110℃下12h)两种条件下水化后XRD和TG图
4、水合氧化铝水化产物在升温过程中的物相变化
水合氧化铝遇水后发生水化反应，有各种水化产物生成。因此，在温度升高的过程中，水化产物会脱水分解。在温度升高的过程中，ρ-Al2O3水化产物主要集在三个温度段内发生变化。第一阶段是室温至100℃，物理吸附水在该温度段内蒸发，第二阶段是100-350℃，水化产物中的羟基水脱除，第三阶段是350-600℃，该阶段水化产物发生分解。
图1.3为在温度升高的过程中，ρ-Al2O3水化产物的物相变化。温度达到400℃以上时，水化产物拜耳石分解并转变为γ-Al2O3。温度达到100℃时，无定形Al(OH)3凝胶转变为干凝胶，随之在210-300℃分解。在450-550℃范围内，AlOOH脱羟基水，进一步转变为γ-Al2O3。随着温度的升高，过渡氧化铝最终会转变为α-Al2O3。
图3水合氧化铝的水化产物向α-Al2O3转变的过程
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